[S-CG44] 地球惑星科学におけるレオロジーと破壊・摩擦の物理

[SCG44-12] 火山現象に伴うパルス状音波の理解に向けた気泡破裂アナログ実験

*村松 弾¹、市原 美恵¹、桑野 修² (1.東京大学地震研究所、2.国立研究開発法人 海洋研究開発機構)

キーワード：火山、音波、レオロジー

火山では爆発を伴う様々な噴火現象でパルス状音波（空振）が観測されるが，そのメカニズムは複数のモデルが提案されており確立されていない．ストロンボリ式噴火ではマグマ表面での気泡破裂によりパルス状音波が励起されるが，水蒸気噴火でも泥懸濁液において同様の現象が報告されている (Jolly et al., 2016, JVGR)．Muramatsu et al. (2022, JVGR) は霧島硫黄山の2018年水蒸気噴火で観測されたパルス状音波の形状・周波数構造が時間変化していることを見出した．また，噴火で噴出した泥のレオロジー特性をもとに，泥懸濁液の含水量に依存した粘性・降伏応力の変化がパルス状音波の時間変化を引き起こしたと考えた．本研究ではこの仮説を検証するため，水蒸気噴火の泥の模擬物質を用いてパルス状音波を再現するアナログ実験を行った．硫黄山の泥懸濁液は降伏応力をもち，高応力・高ひずみ速度で粘性率が低下するShear-thinningの性質を示す．このようなレオロジー特性を模擬する物質として合成スメクタイト（スメクトン-SA，クニミネ工業）の水分散液を使用した．実験機器のセットアップはSánchez et al. (2023, GRL) に基づき，ガラス容器に入れた模擬物質の底面からインジェクターで空気を一定流量で注入して気泡を生成し，表面での破裂を広帯域マイクロフォンと高速度カメラで計測した．3 wt%の分散液で実験したところ，最初の注入では必ず気泡が横に広がり水面まで上昇しなかった．注入前にインジェクター先端から水面まで人為的にひずみを加えるか，サンプル中に残留気泡がある場合は気泡は上昇し水面で破裂した．計測された気泡破裂音の波形や卓越周波数は，同じサンプル濃度・注入流量でもバリエーションがあり，実験中に時間変化を示すこともあった。これらの挙動は流体の降伏応力や記憶効果（ひずみ履歴依存性）に起因すると考えられる (Vidal et al., 2009, PRE)．また，気泡破裂に伴って水が飛び散る様子も観察され，気泡の通路（＝火道）で液相の分離が生じていることが示唆される．霧島硫黄山の水蒸気噴火で見られたパルス状音波の時間変化も，含水量だけではなく上述のような時間依存のレオロジーや液相の分離現象が重要な役割を果たしている可能性がある．